Шесть технологических путей для получения кварцевого стекла высокой чистоты

Кварцевое стекло отличается высокой чистотой, высоким спектральным пропусканием, низким коэффициентом теплового расширения и отличной устойчивостью к тепловому удару, коррозии и глубокому ультрафиолетовому излучению. Оно широко используется в таких высокотехнологичных промышленных производственных областях, как оптика, аэрокосмическая промышленность и производство полупроводников.

Кварцевое стекло можно классифицировать по способу приготовления. Существует два основных типа сырья для приготовления кварцевого стекла. Первый тип — это кварцевый песок высокой чистоты, который используется для электроплавки и газовой очистки для приготовления плавленого кварцевого стекла при высоких температурах, превышающих 1800 °C; второй тип — это кремнийсодержащие соединения, которые используются для приготовления синтетического кварцевого стекла посредством химических реакций.

Метод электроплавки

Метод электроплавки заключается в плавлении порошкообразного кварцевого сырья в тигле с помощью электрического нагрева, а затем в формировании кварцевого стекла с помощью процесса стеклования с быстрым охлаждением. Основные методы нагрева включают сопротивление, дугу и индукцию средней частоты.

Метод газовой очистки

В промышленном отношении метод газовой очистки появился немного позже метода электроплавки. Он использует водородно-кислородное пламя для плавления природного кварца, а затем постепенно накапливает его на поверхности мишени из кварцевого стекла. Плавленое кварцевое стекло, полученное методом газовой очистки, в основном используется для электрических источников света, полупроводниковой промышленности, сферических ксеноновых ламп и т. д. В первые дни крупнокалиберные прозрачные кварцевые стеклянные трубки и тигли напрямую плавились с кварцевым песком высокой чистоты на специальном оборудовании с использованием водородно-кислородного пламени. Сейчас метод газовой очистки обычно используется для приготовления кварцевых слитков, а затем кварцевые слитки подвергаются холодной или горячей обработке для получения требуемых изделий из кварцевого стекла.

Метод CVD

Принцип метода CVD заключается в нагревании летучей жидкости SiCl4 до газообразного состояния, а затем введении газообразного SiCl4 в водородно-кислородное пламя, образованное при сгорании водорода и кислорода под действием газа-носителя (O2), реакции с водяным паром при высокой температуре с образованием аморфных частиц, осаждения на вращающейся подложке осаждения, а затем плавления при высокой температуре с образованием кварцевого стекла.

Метод PCVD

Процесс PCVD был впервые предложен компанией Corning в 1960-х годах. Он использует плазму для замены водородно-кислородного пламени в качестве источника тепла для получения кварцевого стекла. Температура плазменного пламени, используемого в процессе PCVD, намного выше, чем у обычного пламени. Его внутренняя температура может достигать 15000 К, а средняя температура составляет 4000–5000 К. Рабочий газ может быть соответствующим образом выбран в соответствии с конкретными требованиями процесса.

Двухступенчатый метод CVD

Традиционный метод CVD также называется одноступенчатым методом или прямым методом. Поскольку в реакции участвует водяной пар, содержание гидроксила в кварцевом стекле, полученном одноступенчатым методом CVD, как правило, высокое и его трудно контролировать. Чтобы преодолеть этот недостаток, инженеры усовершенствовали одноступенчатый метод CVD и разработали двухступенчатый метод CVD, также называемый методом косвенного синтеза.

Термическая модификация

Метод термической модификации сначала размягчает базовый материал кварцевого стекла путем его нагрева, а затем получает желаемый продукт с помощью таких методов, как продавливание и вытяжка. В печи термической модификации корпус печи нагревается электромагнитным индукционным нагревом. Переменный ток, проходящий через индукционную катушку в печи, создает переменное электромагнитное поле в пространстве, а электромагнитное поле воздействует на нагревательный элемент, генерируя ток и тепло. По мере повышения температуры базовый материал кварцевого стекла размягчается, и в это время можно сформировать стержень/трубку из кварцевого стекла, вытягивая его вниз трактором. Регулируя температуру в печи и скорость вытягивания, можно вытягивать стержни/трубки из кварцевого стекла разных диаметров. Расположение катушки и конструкция печи электромагнитной индукционной нагревательной печи оказывают большое влияние на температурное поле в печи. В реальном производстве температурное поле в печи необходимо строго контролировать, чтобы обеспечить качество изделий из кварцевого стекла.